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Esta Tesis recoge los trabajos computacionales que hemos realizado en el campo de la física de la materia condensada, enfocados en las propiedades de transporte térmico del Titanato de Plomo (PbTiO3) y el Óxido de Zinc (ZnO), ambos materiales representativos de muchos otros óxidos funcionales aislantes. El primero ha sido modelado usando un potencial de segundos principios, esto es, un potencial parametrizado mediante cálculos de primeros principios, que captura algunos efectos cuánticos que pueden ser relevantes en el material. Hemos modelado el segundo usando el potencial de Buckingham, una expresión analítica simple que parece describir el comportamiento del ZnO de forma bastante aproximada a los experimentos. This Thesis collects the computational works we have done in the field of condensed matter physics, focused on the thermal transport properties of the Lead Titanate (PbTiO3) and the Zinc Oxide (ZnO), both representative materials of many other insulating functional oxides. The first has been modeled using a second-principles potential, that is, a potential parameterized from first-principles calculations, which captures some quantum effects that can be relevant in the material. We have modeled the second one using the Buckingham's potential, a simple analytical expression that seems to describe the behavior of ZnO in a fairly approximate agreement with experiments.

Els nanotubs de carboni, descoberts l'any 1991, desperten l'interès dels investigadors per les seves extraordinàries propietats i aplicacions químiques i tecnològiques. Científics del Centre Nacional de Microelectrònica han aplicat ara noves tècniques de caracterització als nanotubs funcionalitzats i han comprovat que augmenten la seva solubilitat de forma important en diferents disolvents orgànics. Los nanotubos de carbono, descubiertos el año 1991, despiertan el interés de los investigadores, debido a sus extraordinarias propiedades y sus aplicaciones químicas y tecnológicas. Científicos del Centro Nacional de Microelectrónica han aplicado ahora nuevas técnicas de caracterización a los nanotubos funcionalizados y han comprobado que aumentan de forma importante su solubilidad en diferentes disolventes orgánicos.

En esta tesis hemos estudiado varios factores relacionados con los transistores orgánicos de efecto campo (OFETs) procesados por solución, incluyendo su fabricación, su caracterización eléctrica y posibles aplicaciones, especialmente en el campo de sensores físicos. En este trabajo se han utilizado principalmente disoluciones de diferentes semiconductores orgánicos (OSC) de pequeña molécula tipo-p y polímeros aislantes. La deposición de estas mezclas para obtener las capas activas de los OFETs se ha llevado a cabo mediante una técnica de procesado por solución escalable, en concreto la denominada bar-assisted meniscus shearing (BAMS). El propósito principal de este trabajo ha sido comprender la influencia que tienen los parámetros de fabricación elegidos sobre las propiedades morfológicas y estructurales de las capas activas resultantes, y, por tanto, su impacto en las propiedades eléctricas de los dispositivos finales. Se ha realizado un estudio detallado a escala nanométrica de capas basadas en OSC:polímero aislante, descifrando la separación vertical de ambos componentes y el efecto que tiene sobre la estabilidad y el rendimiento de los dispositivos. Además, se han explorado diferentes métodos de dopaje con el objetivo de mejorar las características eléctricas de los OFETs que sufren de una alta resistencia de contacto. También se ha estudiado la relación entre propiedades morfológicas y eléctricas empleando dispositivos flexibles sometidos a tensión mecánica. Finalmente, gracias a la optimización de los parámetros de procesado se han fabricado OFETs con una alta sensibilidad a radiación de rayos-X, explicando a su vez cómo la morfología y el transporte de carga en la capa activa determinan la respuesta de estos dispositivos. In this thesis we have studied several aspects related to organic field-effect transistors (OFETs) printed from solution, including their fabrication, their electrical characterisation, and further applications, especially in the field of physical sensing. Blends of different p‑type small molecule organic semiconductors (OSCs) and insulating polymer binders have been employed in this research work. For the deposition of such blends as active layers for OFETs a scalable solution processing technique has been exploited, namely bar‑assisted meniscus shearing (BAMS). The main purpose of the work carried out has been understanding the influence of the fabrication parameters of choice on the morphological and structural features of the resulting active layer and, thus, their impact on the electrical performance of the final devices. A detailed nanoscale study of OSC:insulating polymer thin films has been conducted, elucidating the vertical stratification of both components and its effect on the devices stability and performance. Further, aiming at improving the electrical characteristics of devices exhibiting high contact resistance values, different doping methodologies have been explored. In addition, the morphology-performance relationship has been studied for flexible OFET devices subjected to mechanical strain. Finally, OFETs exhibiting high sensitivity to X-ray radiation have been fabricated by optimising the processing parameters, rationalising how the morphological and transport properties of the active layer determine the sensing capability of such devices.

La presente tesis doctoral se centra en la fabricación, optimización, caracterización y aplicación de capas activas compuestas de una mezcla de semiconductor orgánico y un polímero aislante (OSC:PS) en transistores orgánicos de efecto de campo (EGOFET) con puerta-electrolítica. El EGOFET esta considerado como una prometedora plataforma de detección en el campo de la bioelectrónica debido a su capacidad de operar en medios electrolíticos. Hasta la fecha, aunque en varios proyectos de investigación se ha demostrado su alto potencial como plataforma de detección, existe algunos problemas que deben resolverse, tales como su baja movilidad del portador de carga, lentos tiempo de respuesta y una degradación rápida que dificultan su aplicación práctica. En este contexto, la tesis se divide en tres bloques, que van desde la fabricación de los dispositivos hasta sus aplicaciones. La primera parte de la tesis tiene como objetivo la fabricación de dispositivo robustos y eficientes empleando dos estrategias: (i) la optimización de la mezclas de polímero aislante y semiconductor orgánico (OSC) y (ii) el uso de una técnica basada en la deposición de capas activas mediante disolución que recibe el nombre de BAMS (bar assistance meniscus shearing). En la primera parte de la tesis (Capitulo 2), se emplearon cuatro semiconductores orgánicos diferentes en que se incluyen tres pequeñas moléculas y un polímero semiconductor como materiales activos. Los dispositivos se han caracterizado mediante medida electricas (características de transferencia y salida) y su analisis y compresión, la sensibilidad potenciométrica, velocidad de conmutación (tiempo de respuesta) y estabilidad eléctrica en agua MilliQ y soluciones salinas (NaCl). Además, la segunda parte de la tesis (Capítulo 3) está dedicada al desarrollo de un sensor de iones de mercurio basado la exposición de los capas activas a disoluciones acuosa que contienen iones de mercurio. En este caso, se observó un cambio gradual en el potencial umbral, que era respuesta directa de la concentración de iones a la qual se exponia la capa activa. Además, se realizaron pruebas de microscopía de fuerza de atómica “Kelvin-prove” y espectroscopía electroquímica de impedancia con el objetivó de entender el mecanismo de respuesta frente al mercurio. El cual se relaciono con la oxidación/reducción de los iones Hg2+ y la superficie del semiconductor. Finalmente, la tercera parte de la tesis (Capítulo 4) se centra en la fabricación de nuevos dispositivo sustituyendo el electrolito por un hidrogel (HYGOFET). Logrando dispositivo de alto rendimiento empleando un hidrogel a base de agua como dieléctrico. Además, el HYGOFET muestra una excelente respuesta a los variación de presión debida a la alineación de los dipolos del agua dentro de la capa de semiconductor. Por lo tanto, el dispositivo se puede visualizar como un prototipo de sensor de presión adaptable a ropa inteligente. The present Doctoral Thesis is focused on the fabrication, optimization, characterization and application of organic semiconductors:insulating polymer blends for electrolyte-gated organic field-effect transistors (EGOFETs), which are considered a promising sensing platform in the field of bioelectronics due to their ability to operate in common electrolyte media. Up to date, although several research works have already demonstrated the high potential of using EGOFETs as sensing platform, some unsolved problems (i.e. low carrier mobility, slow response time and fast degradation) are actually hindering their practical application. Within this context, the thesis is divided into three main parts, from EGOFET devices fabrication to their applications. The first part of the thesis aims to obtain robust and efficient EGOFETs device based on two overlooked strategies: (i) the exploitation of blends composed by an insulating polymer and an organic semiconductor (OSC) and (ii) the use of a solution-shearing technique, such as bar-assisted meniscus shearing (BAMS), to deposit the OSC:PS blend. In this part (Chapter 2), four OSCs, including three small molecules and one polymer, were selected as active materials for the fabrication of EGOFETs. The four OSC:polymer blends EGOFET devices have been systematically studied by evaluating and comparing their transfer and output characteristics, potentiometric sensitivity, switching speed and their electrical stability properties recorded in MilliQ water and a NaCl solution as electrolyte media. In addition, the second part of the thesis (Chapter 3) is devoted to the development of a mercury ions sensor based on an EGOFETs by systematically exposing the blend films to a mercury ions aqueous solutions. In this case, a gradual positive threshold voltage shift of the electrical characteristics was observed, which was selected as the detection parameter towards mercury ions. Furthermore, Kelvin probe force microscopy and electrochemical impedance spectroscopy tests were carried out to explore the mechanism of the mercury response, which was demonstrated to be related to the redox reaction between Hg2+ ions and the semiconductor surface. Finally, the third part of the thesis (Chapter 4) is focused on the fabrication of a novel EGOFET device, namely a hydrogel-gated organic field-effect transistor (HYGOFET). A high performance HYGOFET device was achieved by replacing the liquid electrolyte with a water-based hydrogel to serve as dielectric layer. Furthermore, the HYGOFET exhibits an excellent response to pressure stimuli due to the alignment of water dipoles within the OSC layer. The device can thus be envisioned as proof of concept device which can be find applications in the field of textile electronic skin.

Al llarg dels últims anys, hi ha hagut un interès creixent en sistemes que, inspirats pels descobriments en neurobiologia, processen la informació sobre la base de xarxes neuronals on la plasticitat sinàptica és l'element nuclear per a desenvolupar càlculs o fins i tot per a emmagatzematge d'informació. En aquest domini de recerca, que comprèn la computació neuromòrfica, un dels objectius és replicar aspectes bàsics de tasques cognitives complexes mitjançant l'emulació de xarxes neuronals i sinapsis artificials, amb l'objectiu de superar el paradigma computacional basat en l'arquitectura de von Neumann. En aquesta Tesi, s'han investigat les propietats òptiques de les interfícies entre els materials LaAlO3 i SrTiO3, havent-se trobat que en aquests sistemes la fotoconductància observada pot explotar-se per a desenvolupar sinapsis òptiques artificials. En particular, s'ha descobert que la conductància d'aquestes interfícies pot augmentar o disminuir plàsticament, en resposta a polsos òptics de diferents longituds d'ona. La foto-resposta observada depèn de l'ordre d'arribada d'estímuls òptics de diferents longituds d'ona, i aplana el camí per a la implementació de plasticitat sinàptica i, més específicament, del fenomen STDP (Spike-Timing Dependent Plasticity) estimulat per impulsos òptics. En la Tesi es discuteix l'origen de la foto-resposta observada i es conclou que és causada per dos processos de fotoexcitació, és a dir, l'excitació d'electrons situats en estats electrònics originats per defectes relacionats amb centres de tipus DX i, paral·lelament, la fotoexcitació a estats superficials a través d'efecte túnel quàntic. Com s'ha esmentat més amunt, es mostra que aquesta foto-resposta es pot adaptar per aconseguir STDP, usant la conductància de pous quàntics epitaxials de LaAlO3 / SrTiO3 com sinapsis òptiques. La possibilitat d'explotar la fotoconductància de LaAlO3 / SrTiO3 per a emular algunes tasques cognitives bàsiques també s'explora en la Tesi. S'analitza també la fotoconductància de interfícies amorfes de LaAlO3 / SrTiO3, on la conductància és sensible a condicions d'il·luminació en entorns ben il·luminats. S'inclou una discussió sobre la perspectiva de fer servir la fotoconductància dels pous quàntics de LaAlO3 / SrTiO3 per a aplicacions en visió neuromòrfica A lo largo de los últimos años, ha habido un interés creciente en sistemas que, inspirados por los descubrimientos en neurobiología, procesan la información en base a redes neuronales donde la plasticidad sináptica es el elemento nuclear para desarrollar cálculos o incluso para almacenamiento de información. En este dominio de investigación, que comprende la computación neuromórfica, uno de los objetivos es replicar aspectos básicos de tareas cognitivas complejas mediante la emulación de redes neuronales y sinapsis artificiales, con el objetivo de superar el paradigma computacional basada en la arquitectura de von Neumann. En esta Tesis, se han investigado las propiedades ópticas de las intercaras entre los materiales LaAlO3 y SrTiO3, habiéndose hallado que en estos sistemas la fotoconductancia observada puede explotarse para desarrollar sinapsis ópticas artificiales. En particular, se ha descubierto que la conductancia de estas intercaras puede aumentar o disminuir plásticamente, en respuesta a pulsos ópticos de diferentes longitudes de onda. La foto-respuesta observada depende del orden de llegada de estímulos ópticos de diferentes longitudes de onda, y allana el camino para la implementación de plasticidad sináptica y, más específicamente, del fenómeno STDP (Spike-Timing Dependent Plasticity) estimulado por impulsos ópticos. En la Tesis se discute el origen de la foto-respuesta observada y se concluye que es causada por dos procesos de fotoexcitación, a saber, la excitación de electrones ubicados en estados electrónicos originados por defectos relacionados con centros de tipo DX y, paralelamente, la fotoexcitación a estados superficiales a través de efecto túnel cuántico. Como se ha mencionado más arriba, se muestra que esta foto-respuesta se puede adaptar para lograr STDP, usando la conductancia de pozos cuánticos epitaxiales de LaAlO3 / SrTiO3 como sinapsis ópticas. La posibilidad de explotar la fotoconductancia de LaAlO3 / SrTiO3 para emular algunas tareas cognitivas básicas también se explora en la Tesis. Se analiza también la fotoconductancia de intercaras amorfas de LaAlO3 / SrTiO3, donde la conductancia es sensible a condiciones de iluminación en entornos bien iluminados. Se incluye una discusión sobre la perspectiva de usar la fotoconductancia de los pozos cuánticos de LaAlO3 / SrTiO3 para aplicaciones en visión neuromórfica. Recently, inspired by neurobiology, researchers have investigated systems that process information based on spiking neural networks where synaptic plasticity is the kernel of calculation, communication, or even storage of information. In this area, neuromorphic computing is proposed to cope with complex cognitional tasks through emulating spiking neural networks consisting of artificial synapses, aiming at overcoming the von Neumann bottleneck in conventional computational paradigms. In this Thesis, we have investigated the optical properties of the LaAlO3/SrTiO3 interfaces, which can be exploited as artificial optical synapses due to their persistent photoconductance. In particular, we find that the conductance of these interfaces can be increased or decreased plastically depending on the time order of arrival of optical pulses of different wavelengths. The observed plastic photoresponse, which depends on the order of time arrival of optical stimuli, paves the way to the implementation of spike-timing dependent plasticity (STDP) using light as external stimulus. In the Thesis we discuss the origin of the observed wavelength-dependent time-correlated photoresponse in epitaxial LaAlO3/SrTiO3 quantum wells. We conclude that the photoresponse involves two photoexcitation processes, namely, the excitation of electrons located at defect-related DX centers and the photoexcitation to surface states via quantum tunneling. As aforementioned, it is shown that this photoresponse can be adapted to achieve STDP, using the conductance of epitaxial LaAlO3/SrTiO3 quantum wells as optical synapses. The possibility of exploiting the photoconductance of LaAlO3/SrTiO3 to emulate some basic cognitive tasks is also explored. Additionally, we have explored the photoconductance of amorphous LaAlO3/SrTiO3 interfaces, where the conductance is sensitive to illumination conditions in well-lighted environments. We include a discussion about the perspective of using the persistence photoconductance of LaAlO3/SrTiO3 quantum wells to applications in neuromorphic vision.

L’estudi de nanopartícules és una branca fascinant de la ciència. Les seves propietats fortament relacionades amb la seva mida ofereixen innombrables oportunitats per descobriments sorprenents. Tanmateix, el mateix comportament sense precedents que proporciona a aquests nanomaterials el seu gran potencial per a aplicacions tecnològiques innovadores, també planteja grans reptes als científics. Alguns d'aquests reptes són el diseny de síntesis altament controlables i reproduïbles i el desenvolupament d’eines de caracterització i protocols de manipulació precisos que poden diferir dels d’altres materials més convencionals. L'objectiu d'aquesta tesi és proporcionar un marc per al disseny, la síntesi, la caracterització i la modificació superficial de nanopartícules col·loïdals d'or i plata. La tesi consta de diferents capítols que s'ordenen seguint una seqüència lògica que comença per la síntesi de les nanopartícules amb control de grandària, seguida de la caracterització de les seves propietats òptiques i catalítiques, i finalment l'exposició d’aquestes a medis biològics. Nanoparticle research is a fascinating branch of science. The strongly size-related properties of nanoparticles offer innumerable opportunities for surprising discoveries. However, the same unprecedented behaviour that endows these nanomaterials with their great potential for innovative technological applications, also poses great challenges for scientists. Some of these challenges are the design of highly controllable and reproducible syntheses and the development of precise characterization tools and handling protocols that may differ from those of conventional materials. The aim of this dissertation is to provide a framework for the design, synthesis, characterization and surface modification of colloidal noble metal nanoparticles, with special focus on gold and silver nanoparticles. The thesis consists on different chapters that are ordered following a logic sequence that starts by the aqueous synthesis of gold and silver nanoparticles, followed by the characterization of their size-dependent optical and catalytic properties, and finally the exposure of the nanoparticles to biological media.

Materiales orgánicos basados en moléculas pequeñas con propiedades optoelectrónicas son particularmente atractivos en los campos de celdas solares orgánicas y en el campo de la electrónica molecular. Porfirinas y curcuminoides (CCMoids) son moléculas que suscitan interés, siendo buenas candidatas en los campos mencionados, debido a que presentan estructuras químicas modificables y excelentes propiedades electrónicas. En esta tesis, se han estudiado la preparación y diseño de moléculas pertenecientes a las dos familias aquí indicadas, la capacidad de autoensamblaje de dichas moléculas conjuntamente con sus posibles aplicaciones. En el capítulo II, se han sintetizado dos metaloporfirinas (Zn(4R-PPP) y Zn(PPP)) ligandos largos que contienen centros quirales o aquirales conjutantemente con grupos carbonilos en las cuatro posiciones meso de sus respectivos núcleos de porfirina. Posteriorment, se ha sintetizado un estudio completo relacionado con las interacciones intermoleculares no covalentes de dichas multiporfirinas y experimentos iniciales con la creación de celdas solares orgánicas de hetero-unión (BHJ-OCs) donde este tipo de porfirinas han sido procesadas en solución para el estudio de su comportamiento como sistemas donadores en dichas celdas. Dicho estudio se extendió en el capítulo III a dos nuevas porfirinas (TEP y Zn (TEP)) con sustituyentes carbonilos pero más cortos donde se investigó el efecto de las dimensiones de los ligandos en las interacciones intermoleculares finales, y cómo esto afecta el rendimiento de OSCs. En el capítulo IV se explica como con los mismos centros quirales en las posiciones meso, se obtuvo una nueva porfirina, Zn(4R-CPP), que contiene grupos carboxílicos. También se muestran los estudios con dicho sistema y porfirinas adicionales con la formación de sistemas de autoensamblaje binarios basados en interacciones no covalentes o de autoensamblaje iónico para su posible aplicación como nanomateriales. En el Capítulo V, se sintetizaron CCMoides que contienen grupos quirales, de forma similar al capítulo II, así como el estudio del efecto de la quiralidad de dichos materiales. Además, la investigación hace énfasis en el logro de grupos ácidos terminales a partir de la hidrolización de los grupos ésteres (como se muestra en el capítulo IV) que permitió investigar la posible creación de sistemas con diferente dimensionalidades. Después, en el Capítulo VI, se exploró la síntesis de CPs /redes mediante el uso de CCMoides que contienen grupos piridínicos en sus terminaciones (3Py-CCM). El último capítulo está dedicado al diseño de nuevos derivados de porfirina que contienen grupos de anclaje basados en azufre para su aplicación en electrónica molecular conjuntamente con el estudio de sus propiedades electrónicas en solución y en estado sólido. Además, una familia de CCMoids también se ha analizado de manera similar a los derivados de porfirina, con el objetivo de recopilar información para mejorar su diseño molecular para aplicaciones electrónicas. Organic small molecules materials with optoelectronic properties are particularly attractive in the fields of organic solar cells and molecular electronics. Porphyrins and curcuminoids (CCMoids) are prospective candidates in these fields due to their modifiable chemical structures and outstanding properties. In this thesis, the design and preparation of these two families of molecules, together with their self-assembly abilities and potential applications have been studied. In chapter II, two metalloporphyrins (Zn(4R-PPP) and Zn(PPP)) containing long chiral or achiral moieties with carbonyl substituents in the four meso-positions of their porphyrin cores have been synthesized. Then, a complete study related to non-covalent multiporphyrin assemblies has been performed, and initial solution-processed bulk heterojunction organic solar cell experiments were presented. To extend the above study, in chapter III, new porphyrins (TEP and Zn(TEP)) with shorter carbonyl substituents have been investigated and the effect of the length of the ligands in intermolecular interactions was studied, searching how this factor affects as well the OSCs performance. With the same chiral centres in the meso-positions, a porphyrin Zn(4R-CPP) involving carboxylic groups was obtained in chapter IV. And the binary self-assembling systems based on its derivations were achieved through non-covalent interaction or ionic self-assembly towards their potential application as active components in nanomaterials. In Chapter V, CCMoids containing chiral groups, in a similar manner as chapter II, were synthesized. In addition, research towards the achievement of terminal acid groups from the hydrolyzation of the ester groups (as chapter IV shows) allowed the investigation of the possible creation of systems with different dimensionalities. Then in Chapter VI, the synthesis of CPs/networks was explored by the use of a CCMoid containing pyridine moieties at its endings (3Py-CCM). The last chapter is devoted to the design of new porphyrin derivatives containing sulphur-based anchoring groups for their application in single molecular electronics together with the study of their electronic properties in solution and solid state. In addition, a family of CCMoids has also been analysed in a similar manner as the porphyrin derivatives, with the aim of gathering information to improve their molecular design for electronic applications.

Los condensadores ferroeléctricos están formados por dos electrodos metálicos separados por una capa ferroeléctrica, y tienen un gran potencial para dispositivos lógicos y memorias. El carácter ferroeléctrico de la barrera permite la aparición de memoria multinivel con una respuesta (resistencia R) que puede venir determinada por su historia (). El voltaje aplicado previamente permite escribir sobre el condensador distintos estados resistivos. Naturalmente, el éxito de este enfoque depende de la habilidad para fabricar condensadores ferroeléctricos con una gran respuesta RS a temperatura ambiente. El objetivo principal de esta tesis es el estudio del comportamiento RS de capas ferroeléctricas delgadas y ultradelgadas. En particular la distinta respuesta RS que tiene lugar dependiendo del espesor de las capas ferroeléctricas, el tiempo de escritura, amplitud y signo, temperatura y configuración de los contactos. Para ello se han utilizado condensadores ferroeléctricos basados en BaTiO3 epitaxial y se ha desarrollado una configuración completa, presentado en este documento. En condensadores ferroeléctricos basados en BaTiO3 ultrafino los electrones pueden atravesar la barrera mediante efecto túnel. En este caso el efecto de RS se origina como consecuencia de la dependencia de altura de la barrera con el estado de polarización ferroeléctrico. A pesar de que el proceso de “switching” “UP to DOWN” es similar al proceso inverso (“DOWN to UP”), en barreras con efecto túnel estos procesos diferentes generan dinámicas muy distintas. Las diferentes dinámicas consisten en una respuesta rápida para la inversión de la polarización de un signo, y una respuesta lenta para la inversión de polarización de signo contrario. Esto ha sido asociado a la presencia de campos eléctricos (“imprint”) causados por la asimetría intrínseca del dispositivo. La caracterización de los condensadores ferroeléctricos de BaTiO3, atendiendo al espesor de la barrera ferroeléctrica (t=3-110nm), muestra que el RS puede variar de magnitud y signo en función del espesor de la barrera y del protocolo de escritura. Medidas adicionales de temperatura han sido necesarias para evidenciar la existencia de una contribución al RS proveniente de un desplazamiento iónico asistido por campo eléctrico. Se discute cómo el balance relativo entre los procesos de difusión puramente electrónica e iónica modula la altura de la barrera Schottky y consecuentemente cómo son responsables de las variaciones observadas en la magnitud y signo de la electrorresistencia. En capas ultradelgadas se encuentra que estos procesos son despreciables y una modulación de la barrera de efecto túnel (puramente electrónica) tiene lugar. Aprovechando el conocimiento adquirido a lo largo de la elaboración del presente trabajo, se han utilizado condensadores ferroeléctricos de efecto túnel para implementar un dispositivo CRS (“Complementary Resistive Switching”). El CRS ha sido desarrollado para resolver el problema de corriente de “sneak” de arrays de memoria pasivos, lo cual abre oportunidades para conseguir arrays nanocrossbar de mayor densidad. Mediante el uso de una configuración simple de uniones túnel ferroeléctricas hemos implementado la funcionalidad del CRS que permite la lectura y escritura de estados binarios de idéntico estado de alta resistencia en el estado sin “bias”. Además, se demuestra experimentalmente que esta configuración aporta ventajas notables en cuanto al ahorro energético, y se discute sobre los resultados obtenidos los posibles obstáculos que esta funcionalidad podría enfrentar. Ferroelectric capacitors consist of two metallic electrodes separated by a ferroelectric layer have great potential for memory and logic devices. Here, the ferroelectric character of the barrier should allow to build multilevel of memory with a response (resistance R) that can be dictated by its previous history (cycling voltage V). Previous applied voltage allow writing on the capacitor different resistance states. Naturally, the success of this approach base on the ability to build ferroelectric capacitor with large RS response at room temperature. The ultimate goal of the present thesis is the study of the RS behavior of ferroelectric thin and ultrathin films. In particular, the different RS response depending on parameters such as ferroelectric layer thickness, writing time, amplitude and polarity, device temperature, and contact configuration. For that purpose, epitaxial BaTiO3-based ferroelectric capacitors has been used and a complete set-up has been developed and it is documented in the present thesis. In ultrathin BaTiO3-based ferroelectric capacitors, electrons can tunnel across the ferroelectric barrier. In this case RS results from the different barrier height depending on ferroelectric polarization state. Although, it is assumed that the UP to DOWN switching process it is similar to the DOWN to UP, in tunneling barriers these different processes result in very different dynamics. The different dynamics consists on fast response for one sign of polarization reversal and slow for the other, which has been ascribed to the presence of imprint electric fields caused by the intrinsic device asymmetry. Characterization of BaTiO3-based ferroelectric capacitors, focusing on its dependence on ferroelectric barrier thickness (t = 3-110nm) has revealed that RS can change its magnitude and sign depending on the barrier thickness and writing protocol. Additional temperature-dependent measurements have been instrumental to obtain evidence of the presence of field-assisted ionic motion contributing to RS. It is argued that the relative balance between purely electronic and ionic diffusion processes, modulate the height of the interfacial Schottky barriers and consequently, are responsible of the observed variations of the magnitude and sign of electroresistance. In ultrathin films these processes are found to be negligible and modulation of the tunneling barrier (purely electronic) takes place. Taking benefit of the understanding acquired during the elaboration of the presence work, tunneling ferroelectric capacitors have been used to implement a Complementary Resistive Switch (CRS) device. CRS has been developed to overcome the sneak current path problem of passive memory arrays, which reveal’s opportunities for higher density nanocrossbar arrays. By using a simple arrangement of ferroelectric tunnel junctions, we implemented the CRS functionality that allows effectively writing and reading binary states of identically large resistance state in the unbiased state. Moreover, it is experimentally demonstrated that this arrangement has significant advantages in power saving, and it is discussed on the basis of the obtained results that the possible bottlenecks that this functionality might show.

Els òxids basats en manganites de lantà formen una extensa família de compostos derivats del LaMnO3: una perovskita de la forma general ABO3. Les propietats físiques d’aquesta es poden modi car substancialment per substitució catiònica. En aquesta tesi estudiem dos compostos obtinguts per substitució dels cations A i B. D’una banda, el La2Co0.8Mn1.2O6 (LCMO), obtingut per substitució del Mn per Co (catió B), que conforma una estructura doble perovkita amb propietats aïllants i ferromagnètiques. D’altra banda, el La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) format per substitució parcial de La per Sr (catió A) i que resulta en un material metàl.lic i ferromagnètic. El desenvolupament de tècniques de creixement de materials òxids en forma de capes primes els dóna un gran potencial per ser integrats en la tecnologia de semiconductors i per dissenyar dispositius micro i nanomètrics per a aplicacions en spintrònica i memòries no-volàtils. Actualment hi ha gran interès en l’estudi de capes primes de perovskites dobles amb propietats ferromagnètiques i aïllants, ja que tenen una temperatura de transició relativament alta i són fàcils d’integrar sobre altres òxids. La implementació d’aïllants ferromagnètics com a substituts dels dispositius ferromagnètics basats en metalls pot conduir a una e ciència de commutació molt més gran i un transport de corrent menys dissipatiu. Assolir capes ultra primes d’aquests materials permetria obtenir una barrera túnel activa que selecciona l’espín, per tant actua com a ltre d’aquest. Així, l’objectiu principal de la primera part d’aquesta tesi és comprendre les propietats físiques del LCMO i obrir una via per futures aplicacions potencials. En primer lloc, es presenta un estudi detallat del creixement i la caracterització estructural i magnètica de capes primes de LCMO. Demostrem que podem obtenir capes d’alta qualitat, amb temperatures de transició de ns a 230 K i amb un bon ordre catiònic tot i petites desviacions de l’estequiometria. A continuació, analitzem els efectes d’anisotropia magnètica centrats en els aspectes següents: 1) l’estudi de l’aparició d’una forta anisotropia magnètica perpendicular (PMA) amb un alt camp coercitiu i d’anisotropia, i 2) la relació del signe i la força de l’anisotropia magnètica amb els desajustos estructurals amb el substrat. En particular, la PMA apareix en el cas que la tensió sigui expansiva mentre que la tensió compressiva produeix un eix fàcil d’imantació dins el pla. Per trobar una explicació a l’origen de l’anisotropia magnètica desenvolupem un model atòmic simple basat en càlculs de primer ordre de teoria de pertorbacions. A més, relacionem les prediccions extretes amb experiments de dicroisme magnètic circular de raigs X (XMCD tot demostrant que l’anisotropia magnètica en l’LCMO té un origen magnetocristal.lí a causa del fort acoblament d’espín-òrbita del Co2+. Amb l’objectiu d’integrar les propietats aïllants ferromagnètiques i la PMA en un dispositiu, hem fabricat unions túnel utilitzant el LCMO com a barrera magnèticament activa i hem explorat les seves funcionalitats d’espín. Hem trobat que el dispositiu proporciona una alta e ciència de ltratge d’espín (gairebé el 100% de polarització) i funcionalitats de sensor i memòria anisotròpica. És a dir, que la forta PMA induïa per la tensió epitaxial provoca una gran diferència entre les corbes de magnetoresistència mesurades amb el camp magnètic aplicat perpendicular o parallelament; aquesta és l’anomenada magnetoresistència túnel anisotròpica (TAMR). S’han trobat valors de TAMR de 20-30%. Finalment, s’ha provat que el dispositiu pot funcionar com una memòria magnètica ja que podem detectar dos estat no volàtils de resistència ben diferenciats que s’escriuen canviant la direcció del camp magnètic aplicat. En la darrera part de la tesi, s’han presentat resultats basats en l’altre sistema de manganita, el LSMO. Mostrem que les inestabilitats del creixement poden conduir a la formació de superfícies de doble terminació. Allunyar-se del comportament ideal de creixement constitueix una forma d’obtenir nanoestructures formades espontàniament amb propietats funcionals locals en superfícies. Les propietats de transport i la composició d’aquestes superfícies s’analitzen utilitzant tècniques de sonda d’escaneig i microscopia electrònica de fotoemissió amb resolució lateral. Aquestes tècniques sensibles a la superfície són adequades per caracteritzar les propietats a la nanoescala d’aquest tipus de sistemes., Lanthanum manganite-based oxides conform an extensive family of compounds deriving from LaMnO3: a perovskite with general formula ABO3. Its physical properties can be drastically modified by cation substitution. In this thesis we explore two compounds obtained by A-site and B-site substitutions. On the one hand, La2Co0.8Mn1.2O6 (LCMO), obtained by substitution of Mn by Co (B-site substitution), leads to a double perovskite structure with ferromagnetic insulating properties. On the other side, the La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) compound resulting from the partial substitution of La by Sr (A-site substitution) turns the material into a ferromagnetic half-metal. The development of techniques for the growth of oxide materials in the form of thin films ease their integration in semiconductors technology and enable the design of micro and nanoscale devices with potential in spintronics and non-volatile memory applications. Nowadays, there is an increasing interest in the study of double perovskite thin films combining ferromagnetic and insulating properties due to their relatively high transition temperature and their integration on top of other perovskite oxides. The implementation of ferromagnetic insulators (FM-I) as substitutes of ferromagnetic metal-based devices can lead to much higher switching eficiency and less dissipative current transport. For instance, ultrathin films of (FM-I) might be used as spin-selective active tunneling barriers acting as spin-filters. Therefore, the main objective of the first part of this thesis has been to give a comprehensive understanding of LCMO physical properties and propose a guide to potential applications. Firstly, we present a detailed study of the growth of the LCMO films as well as their structural and magnetic characterization. We demonstrate that we can obtain high quality thin films, with transition temperatures up to 230 K and with good cationic order despite a certain degree of off-stoichiometry. Then, we analyze magnetic anisotropy effects, focusing on the following aspects: i) the study of the appearance of strong perpendicular magnetic anisotropy (PMA) with large coercive and anisotropy fields, and ii) the relation of magnetic anisotropy strength and sign with lattice mismatches. In particular, we show that PMA appears for the tensile strain case while compressive strain produces in-plane easy axis. We also give a more detailed understanding of the origin of magnetic anisotropy using a simple atomistic model based on first-order perturbation theory calculations.We relate our predictions with X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) experiments and evidence that magnetic anisotropy in LCMO has a magnetocrystalline origin due to the strong spin-orbit coupling of Co2+ ions. With the aim of integrating ferromagnetic insulating properties and PMA in a device, we have fabricated tunnel junctions using LCMO as a magnetically active barrier and have explored its spin-derived functionalities. We have found that the device provides high spin-filtering effciency (of almost 100% of spin-polarization) as well as anisotropic sensing and memory functionalities. This is, the strong straininduced PMA provokes a large difference between magnetoresistance curves measured with the magnetic field applied in the perpendicular or parallel directions, this phenomenon is the so called tunneling anisotropic magnetoresistance (TAMR). TAMR values as high as 20-30% have been found. Finally, we have proven that the device can be used as a magnetic memory as we can detect the existence of two nonvolatile resistive state that switches depending on the direction of the magnetic field used to write it. The last part of thesis presents results focused on the A-substituted manganite, LSMO, thin films. We show that growth instabilities can lead to the formation of double-terminated surfaces. Indeed, deviations from the ideal growth behaviour constitute a way to obtain spontaneously formed nanostructures with modulated local functional properties at the surface. The transport properties and the composition of these films have been analyzed by making use of scanning probe techniques and space-resolved photoemission electron microscopy, which are surface-sensitive techniques suitable to characterize properties at the nanoscale of this type of systems.

En esta tesis hemos estudiado como la manera de procesar los semiconductores orgánicos puede afectar a su morfología y estructure cristalina. Semiconductores orgánicos de tipo p y n han sido empleados como capas activas en transistores orgánicos de efecto campo (OFETs). Más concretamente, hemos realizado estudios con diferentes semiconductores orgánicos y hemos fabricado transistores con estos semiconductores procesados por solución, con las técnicas de deposición drop casting and bar-assisted meniscus shearing (BAMS), y por evaporación. El propósito de este trabajo ha sido encontrar la correlación entre la estructura molecular, la organización cristalina de las moléculas y la morfología de la capa delgada con las propiedades eléctricas del semiconductor orgánico. También, buscando la mejora del rendimiento y la estabilidad de los dispositivos, los semiconductores orgánicos en esta tesis se han mezclado íntimamente con polímeros aislantes. Además, se ha estudiado en detalle el rol del polímero aislante en la mezcla comparando OFETs basados en películas delgadas constituidas por sólo el semiconductor orgánico con películas delgadas fabricadas a partir de la mezcla de semiconductor y polímero. Por último, la técnica de deposición por spray ha sido estudiada como técnica para depositar contactos orgánicos basados en el metal orgánico tetratiafulvaleno-tetracianoquinodimetano (TTF-TCNQ) y también para la formación de monocristales de semiconductores orgánicos. In this thesis we have studied how the processing of organic semiconductors can affect their morphology and crystal structure. p-Type and n-type organic semiconductors have been employed as active layers in Organic Field-Effect Transistors (OFETs). More in detail, we have performed studies with different organic semiconductors and fabricated transistors based on them by solution (drop casting and bar-assisted meniscus shearing) and by evaporation. The purpose of the work carried out has been elucidating the correlation of the molecular structure, crystal packing and thin film morphology with the electrical properties of the organic semiconductor. Further, aiming at enhancing the performance and stability of the devices, the organic semiconductors used in this thesis were blended with polymer binders. In addition, the effect of the polymer binder has been studied in detail by comparing OFETs based on thin-films of the pristine semiconductor with OFETs based on thin-films of the semiconductor blended with polymers. Finally, spray printing has been explored as technique for depositing organic contacts based on the organic metal tetrathiafulvalene-tetracyanoquinodimethane (TTF-TCNQ) and also for forming single crystals of organic semiconductors.

El YBa2Cu3O7-δ es el superconductor de alta temperatura con mayor potencial tecnológico para aplicaciones de potencia e imanes que trabajan bajo campos magnéticos elevados. Sin embargo, todavía es un reto mejorar sus prestaciones en forma de película delgada epitaxial con un coste bajo de fabricación. La deposición de soluciones químicas ha surgido como una técnica muy competitiva para obtener láminas delgadas epitaxiales y multicapas de alta calidad con nanoestructuras controladas. Hemos desarrollado un proceso novedoso de crecimiento mediante Calentamiento Flash que muestra un excelente potencial para la producción industrial en continuo de conductores epitaxiales de YBa2Cu3O7-δ. En esta tesis hemos establecido, por primera vez, una imagen completa que describe las fases intermedias y la evolución de la microestructura durante el calentamiento. Hemos extendido la ventana de la temperatura de crecimiento sin ninguna degradación de las propiedades superconductoras, por lo que la deposición de conductores epitaxiales de YBa2Cu3O7-δ es compatible con el uso de sustratos de cinta metálica con capas tampón de CeO2. Además, también hemos encontrado que este proceso de crecimiento promueve la formación de una alta concentración de defectos de apilamiento y, por lo tanto, de tensiones a escala nanométrica. Las láminas ultrafinas de YBa2Cu3O7-δ y nanocompuestos, en el rango de 5-50 nm, se prepararon después de una optimización de los parámetros de crecimiento. La reducción de la energía interfacial induce una alta densidad de defectos de apilamiento, lo que conduce a una matriz de YBa2Cu3O7-δ altamente distorsionada. Esta modificación microestructural se vuelve extremadamente grave cuando el grosor de la lámina delgada disminuye por debajo de 25 nm, degradando significativamente las propiedades superconductoras. También hemos estudiado la evolución de las características de las nanopartículas segregadas espontáneamente con el espesor de las láminas delgadas y su influencia en la eficiencia del anclaje de vórtices. La preparación de nanocompuestos de YBa2Cu3O7-δ a partir de nanopartículas de óxido preformadas y no reactivas que forman soluciones coloidales ha demostrado ser una estrategia muy exitosa para lograr un estricto control de las características de las nanopartículas y la optimización de la nanoestructura de las láminas delgadas superconductoras. Las perovskitas BaMO3 (M = Zr, Hf) son las composiciones más prometedoras de nanopartículas preformadas que hasta ahora han conducido a láminas delgadas de nanocompuestos de alta calidad con altas concentraciones de nanopartículas (20-25% molar). La composición y el tamaño de las nanopartículas han demostrado ser factores cruciales para adaptar el rendimiento del anclaje de vórtices bajo campos magnéticos aplicados. La aplicación del proceso de crecimiento de calentamiento flash al crecimiento de láminas delgadas nanocompuestas permite la preservación del tamaño de las nanopartículas y la generación de una alta densidad de defectos de apilamiento de pequeña longitud, que desempeñan un efecto sinérgico para aumentar la eficiencia de los centros de anclaje de vórtices artificiales y mejorar así las propiedades de los conductores. La técnica de multideposición es efectiva para aumentar aún más el espesor de la lámina delgada, mientras que la eficacia del anclaje de vórtices se conserva y la capacidad de transporte de corriente eléctrica de las láminas delgadas nanocompuestas aumenta. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) is the best material choice to address the performances required in power applications and magnets working under high magnetic fields. However, it is still challenging to achieve low manufacturing costs and high superconducting performances of coated conductors (CCs) for large scale power applications. Chemical Solution Deposition has emerged as a very competitive technique to obtain epitaxial films and multi-layers of high quality with controlled nanostructures. We have developed a novel Flash Heating growth process that shows high potential to be compatible with the industrial reel-to-reel production of YBCO CCs. Here we have set up, for the first time, a full image describing the intermediate phase and microstructure evolution during this heating process. We extend the growth temperature window down to 750 ºC without any degradation of superconducting properties, making it being compatible with the deposition of YBCO CCs on CeO2-caped metallic tape substrates. In addition, we have also found that this growth process promotes the formation of a high concentration of stacking faults and so of nanostrain. YBCO and nanocomposite ultrathin films, in the range of 5-50 nm, have been prepared after a series optimization of growth parameters. The relief of the interfacial energy induces a high density of stacking faults, leading to a highly distorted YBCO matrix. Such microstructural disorder becomes extremely serious when the film thicknesses decrease below 25 nm, significantly degrading the superconductivity. We have also studied the evolution of the characteristics of spontaneous segregated nanoparticles with nanocomposite film thicknesses and their influence on the vortex pinning efficiency. The preparation of YBCO nanocomposites from non-reactive preformed oxide nanoparticles forming colloidal solutions has demonstrated to be a very successful strategy to achieve a tight control of the nanoparticle characteristics and the optimized nanostructural landscape on the superconducting films. BaMO3 (M=Zr, Hf) perovskites are shown to be the most promising compositions of preformed nanoparticles up to now that led to high quality nanocomposite films at high nanoparticle concentrations (20-25 mol%). The composition and size of nanoparticles have demonstrated to be crucial factors for tailoring vortex pinning performance in applied magnetic field. The application of the Flash Heating growth process in the growth of nanocomposite films allows both the preservation of nanoparticle size and the generation of a high density of short stacking faults, which play a synergistic effect to increase the artificial pinning centers and enhance the strong pinning contribution. Multi-deposition technique is proved effective to further enhance the film thickness while vortex pinning efficiency is preserved and current-carrying capacity of the nanocomposite films is increased.

En aquesta tesi s'han investigat les propietats físiques de diferents sistemes basats en òxids funcionals de metalls de transició. Aquests materials presenten una gran varietat de propietats –magnetisme, ferroelectricitat, superconductivitat– que els fan interessants per a ser explotats com a nous dispositius més enllà de les tecnologies electròniques i fotòniques d'avui dia. La força motriu del nostre estudi ha estat la comprensió dels processos físics fonamentals que expliquen una sèrie de fenòmens observats. En alguns casos, el nostre interès ha estat entendre perquè un determinat material mostra una gran activitat magneto-òptica (MO) atípica, i en altres casos, entendre com es mouen els dominis ferroelástics sota camps elèctrics. Finalment, hem concentrat la nostra atenció en les ones acústiques superficials (SAW) i la seva interacció amb els materials magnètics. Tot i la diversitat de materials i propietats estudiades, hi ha un tret en comú: la metodologia més important per investigar aquests sistemes ha estat l'ús de la llum i, més específicament, l'explotació de l'espectroscòpia MO i la microscopía òptica. Alhora, els esforços s'han dirigit a la construcció, sempre que ha estat possible, dels models teòrics adequats que descriuen les dades experimentals. A continuació, enumerem breument dels resultats més rellevants de la investigació descrita en aquesta tesi: (i) La contribució intrínseca de polarons en manganites a l'activitat MO. En resum, el nostre estudi revela una resposta magneto-òptica gegant i inesperada de polarons auto-atrapats en el visible, que és gairebé dos ordres de magnitud major que la resposta de fons del material i comparable a millores de tipus plasmònic o fotòniques a l'activitat MO. A més, proporcionant un marc teòric, hem identificat les transicions electròniques fotoinduïdes responsables de l'activitat MO intrínseca dels polarons. Aquesta troballa obre noves perspectives per explorar altres vies per obtenir grans efectes magnetoelèctrics, utilitzant la magneto-òptica en lloc de propietats magnètiques. (ii) L'estudi de la incorporació de les terres rares en granats d'itri i ferro (YIG) i les conseqüències sobre les seves propietats magnètiques. Resumidament, els nostres resultats mostren que el dopatge de Ce provoca una transferència de càrrega selectiva des del ions de Ce als llocs tetraèdrics dels Fe en l'estructura del YIG. Això causa una pertorbació de les propietats electròniques i magnètiques del compost original que redueix l'acoblament de canvi entre el Ce i els moments magnètics del Fe causant comportament magnètic atípic. Les nostres troballes representen un avanç important per a la comprensió dels processos físics que determinen les propietats òptiques dels compostos basats en YIG. (iii) Hem utilitzat microscòpia òptica i MO per analitzar la distribució espacial de dominis de macla ferroelàstics en cristalls de SrTiO3 sota campselèctrics. El nostre treball ens ha permès identificar el senyal de l'anisotropia del comportament dielèctric de baixa temperatura del SrTiO3. Curiosament, el marc teòric que hem desenvolupat per a descriure aquesta anisotropia indica el paper essencial de l'aparició de modes antiferroelèctrics dels ions de Ti que s'acoblen amb modes polars antiferrodistortive. Les nostres observacions són rellevants per aplicacions en les quals és essencial la comprensió i control de la resposta ferroelástica per al disseny nanotecnològic. (iv) Finalment, hem utilitzat la microscòpia MO per accedir a les propietats magnètiques individuals de dispositius magnetoelèctrics de tipus piezoelèctric/magnètic microestructurats. Específicament, s'han estudiat els efectes de SAWs en un piezoelèctric (LiNbO3) sobre les propietats magnètiques de microestructures de Pt/Co/Pt amb anisotropia-magnètica-perpendicular. Els nostres resultats mostren que les SAW poden induir grans canvis en el camp coercitiu magnètic, fins un 80% del valor inicial. Mitjançant l'ús d'una sonda tèrmica de proximitat hem demostrat que els canvis en les propietats magnètiques són en gran part causa d'una dissipació de calor intrínseca de les SAW., In this Thesis we have investigated the physical properties of different systems based on functional transition metal oxides. These materials show a large variety of properties –magnetism, ferroelectricity, superconductivity– that makes them interesting to explore novel devices beyond today's electronic and photonic technologies. The driving force of our study has been the understanding of the fundamental physical processes that explain a series of observed phenomena. In some cases, our interest has been to understand why a particular material shows an atypically large magneto-optical activity; in other cases, why and how ferroelastic domains move under electric fields; finally, we have turned our attention to surface acoustic waves and their interaction with magnetic materials. In spite of the disparity of materials and properties there is a common thread: our most important methodology to research these systems has been the use of light and, more specifically, the exploitation of magneto-optical spectroscopy and optical imaging. At the same time, efforts have been aimed at building, wherever possible, appropriate theoretical models that describe the experimental data. In the following, a concise and brief account is given of the most relevant outcomes of the research described in this Thesis: (i) We have determined the intrinsic contribution to the magneto-optical activity of polarons in manganites. Our study has revealed a large magneto-optical response in the visible, almost two orders of magnitude larger than the background response of the material and comparable to photonic- or plasmonic-mediated magneto-optical enhancement. Additionally, we have identified the photoinduced electronic transitions responsible for the intrinsic magneto-optical activity of self-trapped polarons. This finding opens new perspectives to explore other pathways to obtain large magnetoelectric effects, using magneto-optics instead of magnetic properties. (ii) We have analyzed the incorporation of Cerium into Yittrium Iron Garnet (YIG) and the consequences of this doping on the magnetic and electronic properties of YIG. Summarizing, our results show that Ce-doping triggers a selective charge transfer from Ce to the Fe tetrahedral sites in the YIG structure. This, in turn, causes a disruption of the electronic and magnetic properties of the parent compound, reducing the exchange coupling between the Ce and Fe magnetic moments and causing atypical magnetic behavior. Our findings represent an important step forward for the comprehension of the physical processes that determine the optical properties of YIG-based compounds. This specially relevant, taking into account that these materials are nowadays present in commercial devices in optical communication technologies. (iii) We have used optical and magneto-optical imaging to analyze the spatial distributions of ferroelastic twin domains in SrTiO3 crystals under the application of in-situ applied electric fields. Our work has enabled us to identify the sign of the anisotropy of the low-temperature dielectric behavior of SrTiO3. Interestingly, the theoretical frame that we have developed to describe this anisotropy indicates the essential role of the emergence of an antiferroelectric displacement of the Ti ions that couples to polar and antiferrodistortive lattice modes. Our observations are very relevant for applications where understanding and controlling the distribution of all types of ferroelastic domains is essential for nanotechnology design. (iV) Finally, we have used magneto-optical microscopy to access the magnetic properties of the individual piezoelectric/magnetic microstructured magnetoelectric devices. Specifically, we have studied the effects of surface acoustic waves (SAW) propagating on a piezoelectric LiNbO3 on the magnetic properties of microstructured Pt/Co/Pt squares with perpendicular magnetic anisotropy. Our results show that SAW can induce large changes in the magnetic coercive field, up to 80 % of the initial value. By using a thermal proximity scanning probe we have shown that the changes in the magnetic properties are largely due to an intrinsic SAW-induced heat dissipation.

Esta Tesis está enmarcada en el emergente campo de investigación denominado electrónica molecular, que se puede definir como el estudio de procesos electrónicos medidos o controlados a escala molecular. La utilización de moléculas en circuitos electrónicos de tamaño nanoscópico representa el mayor grado de miniaturización posible, con las ventajas que ello conlleva como mayor velocidad de operación o bajo coste de fabricación. Actualmente se han realizado grandes avances en la síntesis, caracterización y ensamblaje de moléculas y existen a escala molecular: rectificadores, puertas lógicas electrónicamente configurables, dispositivos NDR (negative differential resistance), transistores de efecto de campo FET, interruptores, memorias, etc. Ahora bien, uno de los requisitos para usar cualquier componente electrónico molecular es la capacidad de unirlo o integrarlo en la estructura de un dispositivo electrónico. Para conectar una molécula a otra, son necesarios los cables o hilos de escala molecular. Es decir, no cualquier molécula con una función útil se puede considerar automáticamente como un dispositivo electrónico, sino que ha de existir una vía para interaccionar con otros componentes; de ahí la importancia de los hilos moleculares. En esta Tesis se han estudiado las propiedades conductoras de diversos compuestos moleculares orgánicos para definir su comportamiento como hilos moleculares. Un método o aproximación para estudiar el transporte de electrones a través de un hilo molecular consiste en utilizar el hilo molecular como puente de unión entre un sistema dador y otro aceptor de electrones, de manera que pueda darse una Transferencia Electrónica Intramolecular (TEI) entre ambos (transferencia de un electrón de un extremo a otro de la misma molécula). Así, se han estudiado diversos compuestos utilizando para ello especies de valencia mixta (sistemas con dos centros redox con valencia formal distinta que se encuentran unidos covalentemente a una estructura puente o hilo molecular propiamente dicho).Las moléculas estudiadas como hilo molecular han sido: tetratiafulvaleno (TTF), 1-5(p-fenilenvinileno) y diversos compuestos aza-derivados, y como centros electroactivos, los que mejor se adecuaban a las características de estas moléculas: 1,4-benzoquinona, radical perclorotrifenilmetilo (PTM) y ferroceno, respectivamente. En todas las especies de valencia mixta generadas en esta Tesis se ha demostrado la existencia de Transferencia Electrónica Intramolecular, que en la mayoría de los casos se ha podido cuantificar por UV-Vis-NIR, RPE o ambas técnicas a la vez. Esto nos ha permitido evaluar la capacidad conductora de los hilos moleculares estudiados. La interacción electrónica entre centros redox es moderada en todos los casos, por lo que las especies se pueden clasificar como de valencia mixta de Clase II.Se ha demostrado por primera vez que el tetratiafulvaleno es un buen puente molecular para mediar Transferencias Electrónicas Intramoleculares. Por primera vez se ha demostrado a partir del estado fundamental y no del fotoexcitado no sólo que los oligo(p-fenilenvinilenos) son buenos conductores, sino además la influencia de la longitud de la cadena en la barrera de energía térmica, en la velocidad de la Transferencia Electrónica Intramolecular (y por tanto en la conductividad), así como los mecanismos implicados en el proceso. Los compuestos diferrocenilos con puentes aza-derivados estudiados son también buenos hilos moleculares. Presentan interacción electrónica metal-metal en sus especies de valencia mixta y, en la mayoría de los casos también interacción ligando-metal. Por otro lado, también se ha estudiado el reconocimiento de iones metálicos por parte de estos últimos compuestos, mostrando en algún caso una complejación selectiva de iones Mg2+ o Hg2+. Se ha demostrado que el proceso de complejación/descomplejación de iones Mg2+ se puede controlar electroquímicamente de forma reversible y que se puede aprovechar esta propiedad para transportar estos iones de forma eficaz., The work described in this Thesis is related to the area of molecular electronics, which can be defined as the study of electrical and electronic processes measured or controlled on a molecular scale. Using molecules in nanoscopic electronic circuits means the highest degree of miniaturization is achieved so that a shorter time of data processing can be reached. Nowadays some electronic components exist at the molecular scale such as rectifiers, negative differential resistance (NDR), field effect transistors (FET), switches, memory devices, etc. However, one of the requirements to using any molecular electronic component is the ability to wire it into a device architecture. To connect molecules to one another, molecular-scale wires are necessary. Therefore, describing a molecule doing some useful function does not automatically make it a molecular electronic device-there must be a way to interact with other components. Thus it is important to consider how a molecular electronic device can be wired into a circuit.In this Thesis the conducting properties of different organic molecular compounds have been studied in order to define their behaviour as molecular wires. An approach to study the electron transport through a molecular wire consists of using the molecular wire as a bridging unit between electron donor and acceptor moieties, in order to induce an Intramolecular Electron Transfer between both moieties. Different compounds have been studied using mixed valence species (systems containing two redox centres with different formal valences covalently bridged to a bridge structure or molecular wire). The molecules that have been studied as molecular wires are: tetrathiafulvalene (TTF), 1-5(p-phenylenevinylene) and some aza-derived compounds, as well as these: 1,4-benzoquinone, perchlorotriphenylmethyl radical (PTM) and ferrocene, respectively have been utilised as redox centres. All the formed mixed valence species show an Intramolecular Electron Transfer phenomenon, which can be quantified by UV-Vis-NIR, EPR or both techniques at the same time, which has permitted us to evaluate the conducting capacity of the molecules under study. In all the species the electronic interaction between both redox centres is moderate, so the species can be classified as Class II mixed valence systems.It has been demonstrated for the first time that tetrathiafulvalene is a good molecular bridge to mediate Intramolecular Electron Transfer processes. In addition, it has been demonstrated that oligo(p-phenylenevinylene) molecules (OPPV) are good conductors, making the corresponding studies in the ground state for the first time instead of in the photoexcited state as it has always been made until now. Moreover, the influence of the OPPV length in the thermal energy barrier and in the Intramolecular Electron Transfer rate constant (so that in the conductivity) has been studied as well as the possible electron transfer mechanisms involved in the process. The diferrocenyl compounds with aza-derived bridges studied are also good molecular wires. They show metal-metal electronic interactions in their mixed valence species, and almost all of them also show ligand to metal interaction. The metal ion recognition of the latter compounds has been analysed, with some showing selectivity for Mg2+ or Hg2+ ions. It has also been demonstrated that the complexation/decomplexation process of Mg2+ ions can be controlled electrochemically and reversibly and this can be applied to transport Mg2+ ions effectively.